家用电器电磁干扰及其控制

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1、家用电器的电磁干扰（EMI）及其控制柳光福 方国兴 上海埃德电磁技术有限公司 （上海 201103）摘要：本文分析了常用家用电器产生电磁干扰（EMI）的原因、传播途径和控制方法，阐述了 EMI 电源滤波器网络结构和工作原理。叙词：电磁干扰（EMI） 电磁兼容（EMC）EMI电源滤波器1 前言家用电器、电动工具和类似器具在工作时所产生的无线电干扰在国内外早已引起人们的高度重视。理论和实验 证明，家用电器产品的电磁兼容性能必须满足相关标准的要求。否则，人类生存的电磁环境将遭到破坏，由此产生 的影响和损失是无法估量。因此，家用电器的电磁兼容性能已经成为衡量其产品质量的重要指标。常用家用电器主要包括吸

2、尘器、电风扇、洗衣机、干衣机、电冰箱、空调、电脑、电子游戏机、电磁灶、微波 炉等，都会产生电磁干扰（EMI）,尤其是采用变频技术的空调、洗衣机、冰箱、微波炉、电磁灶等，其运行时产生MOSFET等）是在开关状态下工作。如图1所示PWM控制的变频控制电路，在其a与b点之间的电压波形如图2 所示，是一系列宽度不等的方波。由于种种原因，方波的前后沿总是有一定的上升和下降时间。为方便分析，假定 上升和下降时间相等，方形为等腰梯形，如图 3 中右上角所示。按照福里衰级数的分析方法，可以算出其各次谐波的幅度为：Vn=2Vnn trSin 厂Sinnn TTnn trI T 丿nn TI T 丿(1)式中：V

3、n n次谐波的幅值，V；V 方波的幅值， V；tr 上升和下降的时间， sT 方波宽度， s；T 周期， s 。在一定的重复频率下，其各次谐波幅度的包络如图3所示。由于图2所示的方波宽度是各不相同的。于是，其 生成的谐波幅度的包络就更加的复杂了。由于实际应用中的方波幅度很高，有的甚至高达几千伏，这样一来，由（1） 式估算出的高次谐波直到移动通讯的频率范围（900MHz和1800MHz）仍然是十分可观。从电磁兼容性（EMC ）的观 点来分析，它就是一个必须加以控制的强烈干扰源。2电磁干扰（EMI）路径分析为了能有效控制家用电器正常运行时产生的EMI信号，首先要分析其EMI信号的传播路径。图4为家

4、用电器的单相电网框图。图中家用电器产生的EMI会沿导线和空间辐射的路径传播，这就是我们所说 的传导干扰和辐射干扰，由此对同一电网上邻近电子设备的正常运行构成威胁。图4中用实线箭头的线表示EMI信 号沿导线传播的路径，以虚线箭头的线表示EMI信号经空间传播路径。无论EMI信号沿导线还是经空间的路径传播, 均可分为差模（DM） EMI信号和共模（CM） EMI信号。其中，差模是指在相线（L）和中线（N）之间的EMI信号，见 图5；共模是指在相线（L）与地线（E）之间和中线（N）和地线（E）间的EMI信号，见图6。关于差模 EMI 信号产生的辐射是由差模电流流经导体形成环路而生成，可用图 7所示的等

5、效环形天线的模型来 表示。在远场范围内的r点处生成的最大场强为：E=131.6X10-i6f2AI1/r（2）E在远场范围内r点处的场强，V/m；f差模 EMI 信号的频率， Hz；A差模信号等效环路面积， m2 ；I差模信号电流， A；r到等效环路中心的距离， m。图7 EMI差摸信号的空间传播图8 EMI共摸信号的空间传播另一方面，由于电流流过时，会在导体上面产生电压降。当用电缆把有关地线和设备（或系统）的“地”连接 起来后，某些部位的电位会比设备（或系统）的“地”电位高，这就是共模电位。在一定的条件下，这个电位所生 成的电流会以电场辐射的方式向外辐射电磁干扰能量，我们可用图 8所示的等效

6、单极天线的模型来说明，在远场范围内r点处生成的最大场强为:E=4 n X10-7 fILl/r式中：E-在远场范围内r点处的场强，V/m；f共模EMI信号的频率，Hz；I接地电缆中的共模电流， A；L等效单极天线的长度， m。只要等效单极天线的长度小于所估算的干扰信号的四分之一波长，由（3）式估算出的最大场强E是相当准确的。大家都知道， EMI 要污染环境，也可能会对电器内和其他电器的一些敏感电子电路的正常运行造成危害。那么， 如何把EMI控制到一定的电平才能保护环境，确保电器内和其他电器的一些敏感电子电路的正常运行呢？这个问题 一直在引起人们的关注。为了控制EMI，世界各国都制定有相应的标准

7、，即电磁兼容性标准。这些标准中规定的EMI 电平极限值，是根据电波传播理论和实际测得的数据，结合当时科技发展的水平来规定的。例如美国的 FCC 标准， 欧共体的CE标准，我国也有相应的电磁兼容性标准。这些标准就是控制EMI的法律。如欧共体规定，从1997年1 月1日起，所有进入欧共体的电子、电器产品必须符合CE规定的要求，否则，不允许销售，对违规销售处以重罚。 我国从八十年代初开始起草这方面的标准，并于1984年发布了 GB4343-84电动工具、家用电器和类似器具无线电 干扰特性测量方法允许值,九十年代初，在等效采用C. I. S. P. R.第14号出版物第三版的基础上对其作了重大修 改，

8、现在新版标准 GB4343-95 作为家用电器、电动工具以及类似器具产品无线电干扰合格认证的依据，在无线电干 扰标准体系中占有重要的位置。该标准的贯彻与实施涉及千家万户能否正常收看电视、收听广播、进行无线电通讯， 关系着我国家用电器产品能否进入国际市场。图9即为GB4343-95标准规定的家用电器传导干扰极限值，图10是 GB4343-95标准规定的家用电器辐射干扰的极限值。当然，标准也规定了严格的测量方法。要满足标准规定的EMI图9 GB4343-95标准家用电器传导干扰极限值一方面,我们知道了干扰源的特性和相关的估计方法。另一方面，按照实际情况能分析综合出有关的电路模型。 这样一来，便可用

9、计算机算出有关电磁干扰的幅值。科技人员长期的努力已经开发出了很多可供实用的软件，只要 输入有关干扰源和电路元件结构的数据，便可显示出干扰信号幅度和场强的分布。有了这些相关的信息，为控制电 磁干扰提供了可靠的依据。3 EMI 的控制与 EMI 滤波器要使电器产品满足有关电磁兼容性（EMC）标准的要求，必须在产品的开发设计阶段做大量控制EMI的工作。 首先要选取适当的元件和电路，使之在实现电路功能的同时，能够达到控制EMI的目的；其次，要根据电路的特点 来设计电路的走线和元件排布，这方面有很多控制EMI行之有效的经验。由很多印刷电路板组成设备，由设备集成 为系统的时候，电缆敷设、接地、滤波和屏蔽就

10、成了控制电磁干扰的关键技术。其中，屏蔽是控制EMI经由空间传 播的有效措施。EMI滤波器主要是控制EMI经导线传播的最有效措施。若能把滤波和屏蔽这两项技术有机地结合起 来，应用得恰到好处，把EMI控制到有关标准规定的极限值以内肯定能实现。到目前为止，很少发现不用EMI滤 波器的设备或系统就能满足有关电磁兼容性标准的例子。合理选用和正确安装EMI滤波器后，它除了能控制沿导线 传播的EMI信号外，还能有效控制EMI信号从电缆产生的辐射传播。图 11 是单相 EMI 滤波器的基本网络结构。它都是由集中参数元件组成的无源网络，虚线框表示滤波器外面的 金属屏蔽外壳，它的作用是控制EMI信号经空间辐射传播

11、。在图11的电路中，只有两只电感L1和L2,三只电容器 Cyl, Cy2和Cx。如果把这个EMI滤波器插到图1所示的变频控制电路的输入电路上，如图12所示。这样，L1和Cy2、 L2和Cy1分别构成L与E之间和N与E之间的低通滤波器，用来抑制电器运行时产生的共模EMI信号。其中，L1和 L2的电感是绕在磁环上两组线圈，由于多种原因，L1和L2的电感量是不相等的，于是，L1和L2之差便是差模电 感，它和Cx又组成L与N之间的一只低通滤波器，用来抑制电器运行时产生的差模EMI信号。从而实现对EMI信号 的控制。由于图 11 的电路是无源网络，它具有互易性。当 EMI 滤波器安装在家用电器变频控制电

12、路的电源入口处后， 它既能有效地抑制图 1 所示变频电路运行时产生的 EMI 信号传入电网污染电磁环境，去干扰接在同一电网上的其他 电子设备，又能大大衰减电网上传播的其他干扰信号对家用电器变频控制电路等的影响。4 EMI 滤波器的应用电源EMI滤波器是无源网络，具有互易性，即把负载接在EMI滤波器的(电源)端，还是接在(负载)端都是 可以的。在实际应用中，要达到有效地抑制EMI信号的目的。必须根据滤波器两端将要连接的EMI源阻抗和负载阻 抗的特性来合理选取网络结构，无论怎样复杂的电源EMI滤波器，都可以把它的共模和差模滤波网络抽象出来，简 化为图11中所示的低通滤波网络。按源阻抗和负载阻抗的组

13、合原则，来选择EMI滤波器的网络结构和参数。才能得 到满意的抑制效果。这是电源EMI滤波器的应用技巧。大家知道，当滤波器的输出阻抗Zo和与它端接的负载阻抗R不相等时，在这个端口上会产生反射。反射系数 L定义为p =(Zo-Rl)/ (Zo+Rl), Zo与Rl相差越大，p就越大，端口产生的反射也就越大。当EMI滤波器两端阻抗都处 于失配状态时， EMI 信号会在它的输入和输出端口产生很强的反射。这样一来，滤波器对 EMI 信号的衰减，等于滤 波器的固有插入损耗加上反射损耗。在EMI滤波器的实际使用中，可用此技巧来实现对EMI信号更加有效的抑制。 这就是为什么选用EMI滤波器时，一定要仔细分析其

14、端口阻抗的正确搭配，使产生尽可能大的反射，达到对EMI信 号的有效控制。十多年来，我们在用 EMI 滤波器来解决家用电器电磁干扰方面积累了一些经验，为国内多家品牌家用电器进行 电磁兼容性(EMC )设计改装，产品涉及有空调、洗衣机、洗碗机、干衣机、吸尘器、微波炉等，并设计开发了多种配 套 EMI 电源滤波器(见附表 1)。有关此方面的经验，将逐步在以后发表的文章中继续探讨。5 后记虽然我们在控制家用电器EMI方面积累有一些经验，但是家电技术发展日新月异，我们对家用电器产生干扰的 特性和控制仍要不断研究和学习。我们十分愿意与同行及家电专家切磋技艺，拜各位为师，深入学习，继续合作开 发更多价廉效优

15、的 EMI 滤波器和新的干扰控制方法，为控制家用电器的电磁干扰作出我们的努力。附表1 :上海埃德电磁技术有限公司为家用电器配套的部分EMI滤波器一览表EMI滤波器型号额定电流适用家电类型DNF05-H-3/5/10A3 10A空调器DNF06-16A16A洗衣机、洗碗机、干衣机DNF055-G-20A20A空调器DNF250-HX-20A20A空调器PNF221-G-1/2/3/5/6/10A1/2/3/5/6/10A洗衣机、洗碗机、干衣机MH-0110A洗衣机、洗碗机、微波炉、吸尘器、电冰箱参考文献1 Cor van de Water，Inverter design basics & waveforms；2 柳光福，EMI滤波器的选用和安装；3 陈穷等，电磁兼容性工程设计手册；4 HWOff， Controlling EMI by proper PCB；5 RF German， Use of a ground grid to reduce PCB radiation。6 GB4343-95 家用和类似电动、电热器具，电动工具以及类似电器无线电干扰测量方法和允许值作者简介： 柳光福，男，研究员，中国电源协会安全与电磁兼容分会主任委员，毕业于成都电讯工程学院，现主要从事电